【摘要】：新能源汽車的發(fā)展和電子設備的普及對鋰離子電池的能量密度、倍率性能和循環(huán)壽命等方面提出了更高的要求。因此,設計和制備高性能的鋰離子電池電極材料便顯得尤為重要。石墨烯由于具有超大的比表面積、超高的電導率和超高的電子遷移率等特點,成為了當前鋰離子電池和超級電容器等儲能材料的研究熱點。若以石墨烯直接用作鋰離子電池負極材料,則會存在不可逆容量大、首次庫倫效率低、倍率性能和循環(huán)性能差等問題�；诖�,本文以化學氧化法制備的氧化石墨烯(GO)為基體材料,利用GO豐富的化學修飾和誘導自組裝特性,以多種聚合物為炭前驅(qū)體,通過誘導自組裝、熱解還原等工藝制備出具有柱撐結構的炭/石墨烯復合材料。研究了表面活性劑改性、炭前驅(qū)體的種類及炭前驅(qū)體與GO質(zhì)量比對炭柱撐石墨烯復合材料結構和電化學性能的影響。具體的研究內(nèi)容及結果如下:(1)以GO、丙烯酸為原料,十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)為表面活性劑,通過溶液蒸發(fā)誘導自組裝及熱解還原處理,成功制備出聚丙烯酸炭柱撐石墨烯復合材料(PAGR)和聚丙烯酸炭柱撐改性石墨烯復合材料(CT-PAGR)。對比分析了純石墨烯(GR)、PAGR和CT-PAGR的結構和電化學性能,探討了CTAB對PAGR復合材料結構與電化學性能的影響。結果表明,聚丙烯酸炭的柱撐作用明顯提高了石墨烯的電化學性能。PAGR在100 mA/g電流密度下的首次可逆比容量為411mAh/g,首次庫倫效率為52.6%,均優(yōu)于GR的首次可逆比容量和首次庫倫效率(340 mAh/g,48.6%)。添加CTAB改性后得到CT-PAGR復合材料,100 mA/g電流密度下的首次可逆比容量僅為302 mAh/g,首次庫倫效率僅為31.5%,遠低于GR和PAGR。說明CTAB降低GO親水性后降低了PAGR復合材料的均勻性,且同時采用兩種聚合物作為炭支柱前驅(qū)體時,電化學性能較差。(2)以高氮含量的小分子三聚氰胺為炭前驅(qū)體,三聚氰胺利用π-π鍵吸附在GO表面和層間,經(jīng)過超聲分散、溶液蒸發(fā)誘導自組裝及熱解還原處理后,制備出三聚氰胺炭柱撐石墨烯復合材料(MGR)。MGR中的氮原子含量為8.43 atom%,其中吡啶氮含量接近50%,高于大多數(shù)氮摻雜石墨烯中的氮含量。以MGR為鋰離子電池負極材料,表現(xiàn)出了較高的比容量和倍率性能,100 mA/g電流密度下的首次可逆比容量為512 mAh/g,首次庫倫效率為57.2%,當電流密度增大至1A/g時,仍具有272 mAh/g的可逆比容量。由于三聚氰胺是一種小分子有機物,炭化收率低,位于石墨烯片層間起柱撐作用的三聚氰胺炭較少,因此,MGR的結構穩(wěn)定性和循環(huán)性能較差。(3)采用高氮含量的高分子聚苯胺為炭前驅(qū)體,通過真空抽濾誘導自組裝及熱解還原處理,成功制備出具有柱撐結構的聚苯胺炭/石墨烯復合材料(PGR),考察了聚苯胺單體(AN)與GO質(zhì)量比對PGR復合材料結構和電化學性能的影響。結果表明,聚苯胺炭的柱撐作用明顯提高了GR的結構穩(wěn)定性和電化學性能。AN與GO質(zhì)量比為1:1時制備的樣品PGR1在100 mA/g電流密度下的首次脫鋰比容量為653 mAh/g,當電流密度增大至1 A/g時仍具有高達343 mAh/g的脫鋰比容量,超過純石墨烯樣品脫鋰比容量(101 mAh/g)的3倍,具有優(yōu)異的倍率性能。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB33;TM912
【圖文】：

1.1.2.2 負極材料鋰離子的可逆嵌入和脫出過程是在負極材料的空間結構中完成的，因此優(yōu)異的鋰離子電池負極材料應具備如下特點[7]：(1)具有較高的充放電可逆比容量；(2)充放電過程中，鋰離子的脫嵌可逆且主體結構畸變小，確保材料結構的穩(wěn)定；(3)鋰離子擴散速率快，能快速使放電電壓達到平衡狀態(tài)；(4)表面能形成穩(wěn)定的 SEI 膜；(5)基本不與電解液反應；(6)資源豐富，制備簡單，綠色環(huán)保等。根據(jù)組成成分可將鋰離子電池負極材料為分為碳基材料與非碳基材料，具體分類如圖 1.1 所示。其中碳基材料主要包括石墨類材料、無定形炭材料；非碳基材料主要為氮化物、硅基材料、錫基材料、鈦基材料、過渡金屬氧化物和合金材料。主要的優(yōu)缺點如下：

圖 1.2 碳基材料的儲鋰機理[34](a)石墨插層化合物機理；(b)鋰分子 Li2機理；(c)微孔儲鋰機理定形炭包括硬炭與軟炭，硬炭是指亂層堆疊的難石墨化的炭，硬碳點數(shù)目比石墨高，使得其嵌鋰容量也大于石墨。但硬炭首次庫倫效電壓滯后現(xiàn)象，嵌鋰電壓在 0.3 V 以下，但脫鋰電壓大部分發(fā)生在0]。軟炭是一種可以石墨化的炭，常見的軟炭有石油焦、炭纖維等。比容量、與溶劑相容性較好等優(yōu)點。無定形炭的可逆比容量比天然是兩者的儲鋰機理不同，無定形碳負極材料可能的儲鋰機理包括鋰42]和微孔儲鋰[43, 44]。無定形炭具有比石墨類材料更大的層間距，因的形式進入這些空間位置，如圖 1.2(b)所示，使得理論比容量可g；此外，無定形炭的無定形區(qū)域中主要為微孔，并且微孔周圍存在能夠產(chǎn)生較多的活性位點，與鋰離子產(chǎn)生較強的相互作用，使得鋰易插入微孔中，由于鋰離子從微孔中脫出時需要克服與微孔的作用了電壓滯后現(xiàn)象。墨烯作為研究最熱的納米炭材料，在鋰離子電池中的研究主要集中

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

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本文編號：2730296